Qu'est-ce qu'un avion à pile à combustible ? | 10+ concepts et faits importants

Avion à pile à combustible

Source de l'image: "Pile à hydrogène Toyota au 2014 Ne"(CC BY-SA 2.0) par Joseph Brent

Le sujet de discussion : les avions à pile à combustible | Avion à pile à combustible et perspectives de l'hydrogène comme carburant d'aviation

Qu'est-ce qu'un avion à pile à combustible ?

Avion à pile à combustible à hydrogène

L'industrie de l'aviation a beaucoup essayé de passer au vert en termes de consommation de carburant. Des études et des analyses sont en cours pour identifier l'hydrogène comme une alternative viable. Les conceptions et les modèles ont été démontrés par certaines des meilleures compagnies d'aviation, il est donc important que nous nous mettions à jour avec leurs recherches. Commençons par la terminologie « avion à pile à combustible ».

Un avion qui utilise de l'hydrogène comme source principale d'énergie est appelé avion à pile à combustible. Un moteur à réaction ou un autre type de moteur à combustion interne peut brûler des hydrogènes ou les utiliser pour alimenter une pile à combustible afin de générer de l'énergie pour une hélice. Contrairement à la plupart des avions qui utilisent des ailes de stockage de carburant, les avions à pile à combustible à hydrogène sont généralement développés dans le fuselage dans des réservoirs de carburant à hydrogène.

avion à pile à combustible
Avion à pile à combustible HY4; Source de l'image : DLR, CC-BY 3.0, HY4 2016-09-29 ueber Flughafen StuttgartCC BY 3.0 DE

Qu'est-ce que la pile à combustible à hydrogène?

Pile à combustible à hydrogène

Il s'agit d'une technologie importante avec un potentiel qui offre une gamme d'industries, y compris l'automobile et la transmission lourde, une efficacité énergétique considérable et des avantages de décarbonisation. Aujourd'hui, la technologie du pétrole à l'hydrogène est utilisée à diverses fins, notamment la fourniture d'une capacité de sauvegarde d'urgence pour les installations critiques telles que les hôpitaux, le remplacement de l'électricité du réseau pour les installations de charge essentielles telles que les centres de données.

Les piles à combustible à hydrogène peuvent-elles être utilisées dans les avions ? | Les avions utilisent-ils des piles à combustible ?

Dans un avenir proche, tout, des zones urbaines à faibles émissions de carbone aux ordinateurs portables en passant par les futurs avions à pile à combustible à zéro émission, pourrait potentiellement être propulsé. Différentes études de recherche ont montré qu'il est possible de construire de grands avions commerciaux à pile à combustible à hydrogène d'ici 2020 . Cependant, il ne sera probablement en service que vers l'an 2030. L'intérêt pour l'utilisation d'avions à pile à combustible comme avion personnel s'est accru dans un proche avenir.

Dans le projet de recherche européen, la faisabilité technique et mécanique, la perspective de sécurité, les compatibilités environnementales et les viabilités économiques de l'utilisation de l'hydrogène fluide (H2) comme carburant d'aviation ont été évaluées en coopération avec Airbus, avec 33 organisations partenaires contenues dans un carburant avion cellulaire et surnommé CRYOPLANE, un rapport détaillé a été publié en 2003.

Comment est née la pile à combustible à hydrogène ?

Histoire de la pile à combustible à hydrogène

Sir William Grove, un juge devenu scientifique, a conçu une idée unique en 1838 : construire une cellule avec deux compartiments scellés indépendants, chacun alimenté par de l'hydrogène ou de l'oxygène gazeux. Il a nommé son appareil une « batterie voltaïque à gaz » à l'époque. Malheureusement, il ne produisait pas assez d'électricité pour être utile. Après un certain temps, l'ingénieur anglais Francis Thomas Bacon s'y intéresse et, en 1932, crée la première pile à combustible hydrogène-oxygène au monde pour en faire une réalité, qui est utilisée aujourd'hui pour construire le concept de l'avion à pile à combustible. La pile à combustible de Bacon est devenue un succès dans l'industrie spatiale, où elle a été utilisée pour alimenter des satellites et des fusées pour des opérations d'exploration spatiale telles qu'Apollo 11.

En février 1957, un NACA Martin B-57B a été expérimenté et a volé pendant 20 minutes à l'hydrogène au lieu de carburéacteur pour l'un de ses deux moteurs Wright J65. Le Tu-155, un avion de ligne Tu-154 amélioré, a volé pour la première fois le 15 avril 1988, en tant que premier avion expérimental à pile à combustible fonctionnant à l'hydrogène.

avion à pile à combustible; Source de l'image : aeroprints.comCCCP-85035 Tupolev Tu.155 (7286104458)CC BY-SA 3.0

Boeing à pile à combustible à hydrogène | Boeing à pile à combustible

Boeing a produit et exploité le premier avion à hydrogène au monde en 2008. Pendant le décollage et la montée, les piles à combustible de l'avion individuel ont été alimentées en électricité par des batteries lithium-ion. Le Phantom Eye (destiné à effectuer des missions de reconnaissance de quatre jours à 20,000 XNUMX mètres d'altitude), un véhicule aérien sans pilote à hydrogène liquide, a été dévoilé quatre ans plus tard. Cependant, Boeing n'a pas pu vendre l'UAV à l'armée, et il est maintenant exposé dans un musée uniquement en tant que véhicule aérien à hydrogène liquide.

vessies pour piles à combustible d'avion

Pourquoi les piles à combustible ne remplacent-elles pas les moteurs à réaction ?

L'utilisation de l'hydrogène comme carburant d'avion a été démontrée par Boeing à travers son concept de Phantom Eye. Cependant, selon Mike Sinnett (VP, Product Development, Boeing Aviation) a commenté que des recherches supplémentaires sont nécessaires pour évaluer le facteur de sécurité pour la structure d'un avion et les réservoirs de carburant pour fonctionner aussi sûrement que les avions de ligne d'aujourd'hui.

Cela implique donc que le carburant hydrogène ne sera pas utilisé dans les avions à pile à combustible de Boeing avant plus de deux décennies, et que les moteurs des avions dans une décennie sont déjà en cours de construction.

Développement de Phantom Eye

Le Phantom Eye a développé les réalisations précédentes de Boeing avec le Boeing Condor à pistons, qui a établi plusieurs records d'altitude et d'endurance à la fin des années 1980. Boeing a également travaillé sur le drone Phantom Ray en tant que banc d'essai volant pour les technologies innovantes, ainsi qu'un plus grand véhicule aérien sans pilote HALE qui peut voler pendant plus de dix jours et transporter des charges utiles de 900 kilogrammes ou plus.

Le système de propulsion du Phantom Eye (conçu en relation avec le système de propulsion et la cellule) a réussi un test en chambre d'altitude de 80 heures le 1er mars 2010.  The Ball Aerospace, Aurora Flight Sciences, Ford Motor Company et MAHLE Power train ont collaboré ensemble au progrès technologique pour créer le Phantom Eye, finalement dévoilé le 12 juillet 2010.

Darryl Davis, responsable de la section des idées avancées de Boeing Phantom Works, estime que le «démonstrateur Phantom Eye» est un modèle à l'échelle 60-70 % précis d'un système objectif. Avec aussi peu que quatre avions, le prototype Phantom Eye pourrait conduire à un système d'objectifs capable de couvrir toute l'année une vaste zone.

Comment fonctionnera la pile à combustible à hydrogène ?

Une pile à combustible à hydrogène classique pour avion à pile à combustible est constituée de deux électrodes (une anode et une cathode) détachées par une membrane électrolytique. Celui-ci fonctionne comme suit :

  1. L'hydrogène passe dans la pile à combustible à travers l'anode. Les électrons et les protons se forment par division des atomes d'hydrogène, en raison de leur réaction avec un catalyseur. La cathode, quant à elle, laisse entrer l'oxygène de l'air adjacent.
  2. Les protons chargés positivement se dirigent vers la cathode à travers la membrane électrolytique perméable. L'électron chargé négativement sort de la cellule, fournissant un courant capable d'alimenter un système de propulsion électrique ou hybride électrique.
  3. Les protons et l'oxygène se combinent dans la cathode pour former de l'eau.

Propriétés de l'hydrogène

L'énergie spécifique de l'hydrogène est trois fois supérieure à celle du carburéacteur ordinaire, bien qu'il ait une densité énergétique inférieure. Des réservoirs en fibre de carbone, qui peuvent résister à une pression de 700 bars, sont utilisés dans les avions. Il est également possible d'utiliser de l'hydrogène liquide cryogénique.

Supposons que l'hydrogène soit facilement disponible à partir d'une source d'énergie à faible émission de carbone comme le vent ou le nucléaire. Dans ce cas, il émettra moins de gaz à effet de serre, dont de la vapeur d'eau et une petite quantité d'oxyde d'azote dans les avions que dans les cas existants. Actuellement, seule une petite quantité de H2 est produit à l'aide d'une source d'énergie à faible émission de carbone, et il existe différents obstacles importants à l'utilisation de l'hydrogène dans les avions. L'hydrogène est plus cher que les combustibles fossiles en raison de son mode de production et de ses inefficacités relatives avec les technologies actuelles.

La LH2 est l'un des liquides de refroidissement d'ingénierie les plus efficaces. Il a été proposé de refroidir dans l'air de prise pour les avions très rapides ou encore la peau de l'avion elle-même, notamment pour les avions à réaction.

Poids et densité énergétique

Que ce soit sous forme gazeuse ou liquide, le poids supplémentaire nécessaire au stockage du carburant est le principal obstacle au vol à l'hydrogène dans les avions à pile à combustible. La fabrication de réservoirs légers isolés sous vide qui maintiennent l'hydrogène liquide en dessous de son point d'ébullition de 20 Kelvin sera le problème pour l'hydrogène liquide. Parce que les réservoirs doivent supporter des pressions élevées de 250 à 350 bars, le gaz a une pénalité de poids plus élevée.

La densité énergétique de l'hydrogène liquide est 2.8 fois celle de l'essence d'aviation. Cependant, selon le Laboratoire national d'Argonne, le carburant d'aviation surpasse l'hydrogène d'un facteur 1.6 en termes de carburant et de poids du réservoir combinés. Contrairement au carburant aviation, qui représente environ 78 % du poids total du réservoir et du carburant, l'hydrogène liquide ne représente que 18 % du poids total dans les systèmes de stockage modernes. On prétend que la fraction massique du carburant doit atteindre au moins 28% pour concurrencer les carburants fossiles. L'hydrogène liquide a une énergie par unité de volume beaucoup plus faible que les hydrocarbures.

Densité énergétique des combustibles – horizontale par masse, verticale par volume ; Source de l'image : Cadran ScottDensité d'énergie, marqué comme domaine public, plus de détails sur Wikimedia Commons

Cependant, selon Phillip Ansell, directeur du Champaign's Center for High-Efficiency Electrical Technologies for Aircraft de l'Université de l'Illinois à Urbana et financé par la NASA, différentes parties de l'avion comme les ailes et le fuselage peuvent être modifiées individuellement ou collectivement pour contrer le augmentation de la traînée aérodynamique, résultant de la surface externe supplémentaire requise pour accueillir des réservoirs d'hydrogène plus grands.

Avantages de la pile à combustible à hydrogène

Les piles à combustible (qui utilisent de l'hydrogène pur, donc sans carbone), sont une source d'énergie propre car elles produisent de l'électricité par réaction électrochimique. Voici quelques avantages plus importants des piles à combustible :

  1. Les piles à combustible, contrairement aux batteries, ne nécessitent pas de recharge et peuvent continuer à produire de l'énergie tant qu'une source de combustible (hydrogène) est disponible.
  2. Les piles à combustible individuelles peuvent être « empilées » pour créer des systèmes plus grands qui peuvent générer plus de puissance, permettant une évolutivité. Les piles à combustible peuvent être couplées pour former des systèmes à grande échelle de plusieurs mégawatts, tandis qu'une seule pile à combustible est capable de générer suffisamment d'électricité pour permettre une application spécifiée.
  3. Les piles à combustible sont silencieuses et fiables car elles n'ont pas de pièces mobiles.

L'hydrogène est-il un carburant viable pour les avions ?

Trois concepts uniques ont été créés par Airbus pour des avions à pile à combustible à hydrogène pouvant transporter jusqu'à 200 passagers et couvrir une autonomie avoisinant les 2000 3700 milles marins (XNUMX XNUMX kilomètres). Chacun d'eux comprend un système hybride conceptuel contenant des turbines à combustion et des moteurs entraînés par pile à combustible. Dans un système turboélectrique, une turbine à gaz à hydrogène alimente un générateur électrique, tandis qu'un moteur électrique entraîne le ventilateur.

Airbus prévoit de propulser ses futurs avions de ligne long-courriers de 300 à 400 places en utilisant des carburants synthétiques issus de sources renouvelables plutôt que de l'hydrogène. Adapter l'hydrogène à des avions qui seront vidés et réapprovisionnés plusieurs fois par jour sera un nouveau défi pour l'entreprise, même si elle est déjà expérimentée avec le carburant dans les applications aérospatiales.

Réparation de piles à combustible d'avions | Maintenance des piles à combustible d'avions

La présence de carburant renversé sur le fond de l'avion est généralement le premier signe d'une fuite. Lors de la recherche de la source de la fuite, il est nécessaire de noter que le carburant peut parcourir une assez longue distance avant d'atteindre un point de sortie. Il peut être difficile d'identifier la source de la fuite à cause de cela. Il faut suivre le chemin de la fuite avant de répondre à tout soupçon, sans supposer que la pile à combustible qui fuit est à proximité immédiate de la fuite visible.

Les fuites doivent être vérifiées dans les connexions, les tuyaux et les zones de ventilation. Il convient également de noter que ce n'est pas parce qu'une pile à combustible fuit qu'il est nécessaire de la remplacer. Sur une pile à combustible, il y a certaines fuites qui peuvent être réparées comme :

  1. Les colliers de serrage sont trop lâches
  2. Les vis de l'émetteur sont desserrées.
  3. Joints défectueux
  4. Boulons avec une plaque lâche ou un goulot de remplissage
  5. Le goulot ou le tube de remplissage présente des fissures.

Les connexions de pile à combustible à double serrage évitent les fuites dans les piles plus anciennes, mais elles sont également utiles pour les piles plus récentes avec de grandes interconnexions. Le caoutchouc se tassera une fois les pinces serrées. Par conséquent, une heure après l'installation initiale, c'est une bonne idée de resserrer tous les colliers.

Bande de pile à combustible d'avion

Examinez la région autour de la baie de pile à combustible pour la perte de corrosion. Retirez tout reste de ruban adhésif et de résidus. MEK peut être utilisé pour éliminer facilement les résidus de ruban. Retirez tous les FOD, en particulier les copeaux de métal, qui peuvent rapidement endommager une pile à combustible nouvellement installée.

Veillez à utiliser du ruban adhésif pour pile à combustible lorsque vous collez la doublure. L'adéquation du ruban adhésif ou du ruban électrique ne justifie pas le remplacement du ruban pour pile à combustible. Le ruban et l'adhésif utilisés dans la pile à combustible sont remarquablement intacts en cas de déversement de carburant. Dans cette situation, le ruban adhésif, le ruban électrique et les autres rubans ne fonctionneront pas.

Tous les rivets et les bords doivent être scotchés avec du ruban pour pile à combustible. Il est généralement plus facile de travailler avec de courtes sections de ruban (environ 6 pouces de long) que de travailler avec de longues sections, en particulier si le ruban se trouve dans des régions difficiles d'accès à l'aveugle. Dans les endroits difficiles, un miroir peut également vous aider à voir ce que vous faites.

Nettoyant pour pile à combustible d'avion

Frotter tout carburant restant de la pile à combustible avant de l'emballer pour l'expédition. La pile à combustible doit être nettoyée à l'aide d'eau tiède et de savon à vaisselle liquide, selon Hartwig Aircraft Fuel Cell Repair. Le processus de nettoyage et de séchage doit être suivi du pliage et de l'emballage de la cellule pour l'expédition aux installations de réparation. Avant l'expédition, certains mécaniciens ajoutent un film d'huile à la cellule pour préserver la cellule. Eagle Fuel Cells déconseille fortement de le faire, déclarant qu'il n'est pas nécessaire de revêtir la pile d'huile au détriment d'une main-d'œuvre supplémentaire.

Soudage de pile à combustible d'avion | Soudage de piles à combustible en aluminium pour avions

La torche oxy-combustible commune (soudage oxy-combustible ou OFW) a été un pilier important dans le processus d'assemblage de l'aluminium. Dans les années 1850, l'oxyhydrogène créé par électrolyse était utilisé pour souder à la flamme des métaux à bas point de fusion, tels que l'or, l'argent, le cuivre et le platine. La découverte de l'acétylène est remarquable car elle était liée à la recherche d'un nouveau procédé de fabrication de l'aluminium métallique.

Dans l'industrie aéronautique, l'oxyhydrogène est plus souvent lié à l'OFW que l'oxyacétylène, mais pas en raison d'un quelconque avantage technique. L'acétylène a été rationné expressément pour l'utilisation dans les chantiers navals en raison de l'économie du temps de guerre, laissant l'hydrogène comme seule alternative. Parce que le mélange des restes d'acétylène avec de l'hydrogène gazeux peut entraîner une catastrophe accidentelle, l'utilisation de l'hydrogène comme carburant nécessite un réservoir, un régulateur, un tuyau et une torche séparés.

De plus, l'hydrogène ne produit pas de suie, qui pourrait être utile comme indicateur de température lors du recuit de la tôle d'aluminium. Les coûts de production du combustible (avec une installation d'électrolyse réalisable) et un aspect de la zone de soudure un peu plus propre (en raison de l'absence de carbone dans la région de la flamme) peuvent être des avantages de l'hydrogène.

Quelle est la durée de vie d'une pile à combustible ?

Durée de vie des piles à combustible d'avion

La majorité des avions utilisés aujourd'hui ont dépassé leur durée de vie prévue. Beaucoup de ces avions ont subi une ou plusieurs modifications de la cellule ou de l'avionique. La durée de vie d'une pile à combustible, d'autre part, est souvent négligée car elle n'est pas incluse dans de nombreux documents gouvernementaux, manuels d'aéronefs ou TO d'aéronefs.

Les facteurs variables cruciaux parmi les flottes comprennent les heures de vol, les conditions environnementales et les cycles de retrait et de réinstallation. Par conséquent, il est impossible de prédire la durée de vie d'une pile à combustible. Les piles à combustible remises à neuf, remises à neuf ou révisées ne sont pas possibles. La représentation des piles à combustible comme telles est erronée.

Cependant, nous pouvons dire que toute pile à combustible de plus de 15 ans dans un avion à pile à combustible devrait être évaluée pour son remplacement. Ceci est particulièrement crucial si l'avion subit des modifications majeures nécessitant le retrait de la cellule. Il convient de souligner que, selon le programme d'avions, les forces américaines ont conclu que la durée de vie typique devrait être de 10 à 12 ans. En général, des réparations importantes sur toute pile à combustible de plus de 12 ans et censée rester en service pendant plus de 12 mois sont un gaspillage d'argent.

Quel est le futur carburant des avions ?

Carburant d'aviation émergent

Les avantages de l'hydrogène ont récemment été révélés et l'industrie du transport aérien en prend note. Selon Fymat, Airbus veut produire le 1erst  avion commercialisé à zéro émission d'ici 2035.

Selon des sources, ZeroAvia, une entreprise basée aux États-Unis, souhaite produire un avion à pile à combustible à hydrogène pour environ 20 passagers d'ici 2024. Elle a déjà obtenu 5 millions de dollars de subventions de trois programmes du gouvernement britannique et a réussi à attirer l'intérêt de 12 transporteurs régionaux. du Royaume-Uni, des États-Unis et de l'Union européenne.

Maintenant que vous connaissez l'hydrogène en tant que carburant d'aviation potentiel, naviguez pour en savoir plus sur le système de stockage du carburant. Système de réservoir de carburant d'avion.

À propos d'Esha Chakraborty

J'ai une formation en ingénierie aérospatiale, je travaille actuellement à l'application de la robotique dans l'industrie de la défense et des sciences spatiales. Je suis un apprenant continu et ma passion pour les arts créatifs me maintient enclin à concevoir de nouveaux concepts d'ingénierie.
Avec des robots remplaçant presque toutes les actions humaines dans le futur, j'aime apporter à mes lecteurs les aspects fondamentaux du sujet d'une manière simple mais informative. J'aime aussi me tenir au courant des progrès de l'industrie aérospatiale simultanément.

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