La présente invention concerne en général les vannes cryogéniques.

Une telle vanne cryogénique est typiquement implantée sur le conduit de sortie d’une unité de stockage de fluide cryogénique.

Cette unité de stockage peut être un réservoir d’hydrogène liquide, destiné à alimenter une pile à combustible. La vanne cryogénique est interposée entre l’unité de stockage et un échangeur de chaleur. L’hydrogène liquide est réchauffé dans l’échangeur de chaleur jusqu’à une température compatible avec le fonctionnement de la pile à combustible.

L’unité de stockage comprend généralement un réservoir interne, et un réservoir externe dans lequel est logé le réservoir interne. L’hydrogène liquide est stocké à l’intérieur du réservoir interne. L’espace intermédiaire délimité entre le réservoir interne et le réservoir externe est maintenu sous un vide poussé, de manière à procurer une isolation thermique très efficace.

Il est possible de concevoir la vanne cryogénique avec un organe d’obturation agencé sur une portion intermédiaire du conduit de sortie d’hydrogène, logée dans l’espace intermédiaire entre le réservoir interne et le réservoir externe. L’actionneur dans ce cas est situé à l’extérieur du réservoir externe.

Une telle vanne cryogénique est techniquement complexe, et coûteuse à produire.

Dans ce contexte, l’invention vise à proposer une vanne cryogénique qui soit moins coûteuse et surtout plus facile à intégrer.

À cette fin, l’invention porte sur une vanne cryogénique, comprenant :

- un corps de vanne délimitant une entrée de fluide cryogénique, une sortie de fluide cryogénique et un passage de fluide cryogénique raccordant fluidiquement l’entrée de fluide cryogénique à la sortie de fluide cryogénique;

- un obturateur;

- un actionneur;

- une chaîne cinématique par l’intermédiaire de laquelle l’actionneur déplace l’obturateur entre une position d’obturation du passage de fluide cryogénique et une position de dégagement du passage de fluide cryogénique; le corps de vanne délimitant en outre une entrée de fluide caloporteur, une sortie de fluide caloporteur et un passage de fluide caloporteur raccordant fluidiquement l’entrée de fluide caloporteur à la sortie de fluide caloporteur, le passage de fluide caloporteur s’étendant autour du passage de fluide cryogénique.

Une telle vanne cryogénique peut être placée à l’extérieur du réservoir externe. En effet, du fait que le passage de fluide caloporteur s’étend autour du passage de fluide cryogénique, les surfaces du corps de vanne en contact avec le fluide cryogénique ne sont pas directement exposées à l’atmosphère entourant le corps de vanne.

Le risque que l’air entourant le corps de vanne soit liquéfié est donc supprimé.

Dans le cas où le fluide cryogénique est de l’hydrogène, celui-ci est liquide, à pression ambiante, à une température proche de 20 K.

L’air se liquéfie à partir de -196° C, c’est-à-dire environ 77 K. L’air liquide peut contenir sous certaines conditions jusqu’à 50 % d’oxygène en masse, et est ainsi extrêmement oxydant. Il est impératif que les surfaces du corps de vanne en contact avec l’hydrogène liquide ne soient pas directement en contact avec l’air ambiant.

Ceci est obtenu dans l’invention par l’agencement dans le corps de vanne d’un passage de fluide caloporteur autour du passage de fluide cryogénique.

Un tel corps de vanne n’est pas excessivement coûteux à produire.

Par ailleurs, du fait que le corps de vanne peut être disposé à l’extérieur, dans l’atmosphère entourant l’unité de stockage de gaz cryogénique, il n’est pas nécessaire de déporter l’actionneur à distance du corps de vanne. En conséquence, la structure de la vanne est simplifiée et la vanne est beaucoup moins coûteuse que celle de l’état de la technique.

La vanne peut en outre représenter une ou plusieurs des caractéristiques ci- dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :

- la sortie de fluide caloporteur est annulaire et entoure une partie d’extrémité avale du passage de fluide cryogénique ;

- le corps de vanne est venu de fonderie, d’une pièce, le corps de vanne présentant des surfaces en contact avec le fluide cryogénique, lesdites surfaces étant de préférence usinées ;

- le corps de vanne présente au moins une cloison interne délimitant d’un côté le passage de fluide cryogénique et d’un autre côté le passage de fluide caloporteur, l’au moins une cloison interne présentant une épaisseur supérieure à 2 mm ;

- l’actionneur comprend un organe d’entraînement, la chaîne cinématique comprenant une tige ayant une partie d’extrémité distale portant l’obturateur, une partie d’extrémité proximale liée à l’organe d’entraînement et une partie intermédiaire engagée dans un orifice ménagé dans l’au moins une cloison interne, la vanne cryogénique comprenant un soufflet d’étanchéité agencé autour de la partie d’extrémité distale, une extrémité proximale du soufflet d’étanchéité étant liée de manière étanche par soudage à l’organe d’entraînement, une extrémité distale du soufflet d’étanchéité étant liée de manière étanche par soudage à l’au moins une cloison interne, autour de l’orifice.

Selon un second aspect, l’invention porte sur un ensemble comprenant une vanne cryogénique ayant les caractéristiques ci-dessus, et un échangeur de chaleur ayant un côté de circulation de fluide cryogénique et un côté de circulation de fluide caloporteur, le côté de circulation de fluide cryogénique ayant une entrée d’échangeur de fluide cryogénique, raccordée à la sortie de fluide cryogénique de la vanne cryogénique, le côté de circulation de fluide caloporteur ayant une entrée d’échangeur de fluide caloporteur, raccordée à la sortie de fluide caloporteur de la vanne cryogénique.

Cet ensemble peut en outre représenter une ou plusieurs des caractéristiques ci- dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :

- l’échangeur de chaleur comporte une bride d’échangeur dans laquelle sont ménagés l’entrée d’échangeur de fluide cryogénique et l’entrée d’échangeur de fluide caloporteur, l’entrée d’échangeur de fluide caloporteur étant annulaire et entourant l’entrée d’échangeur de fluide cryogénique, la vanne cryogénique et comportant une bride de vanne fixée à la bride d’échangeur dans laquelle sont ménagée la sortie de fluide cryogénique et la sortie de fluide caloporteur ;

- la bride de vanne et la bride d’échangeur sont en contact l’une avec l’autre le long d’une zone de contact ayant une portion séparant l’entrée d’échangeur de fluide cryogénique de l’entrée d’échangeur de fluide caloporteur et séparant aussi la sortie de fluide cryogénique de la sortie de fluide caloporteur, l’une de la bride de vanne et de la bride d’échangeur comportant un canal raccordant fluidiquement ladite portion avec l’extérieur, l’ensemble comprenant en outre :

- un premier joint d’étanchéité interposé entre d’une part ladite portion et d’autre part la sortie de fluide cryogénique et l’entrée d’échangeur de fluide cryogénique;

- un second joint d’étanchéité interposé entre d’une part ladite portion et d’autre part la sortie de fluide caloporteur et l’entrée d’échangeur de fluide caloporteur ;

- le côté de circulation de fluide cryogénique comporte un tube unique, venu de matière, présentant une extrémité amont soudée à la bride d’échangeur ;

- l’ensemble comporte une unité de stockage de fluide cryogénique avec un réservoir interne délimitant intérieurement un volume de réception de fluide cryogénique, un réservoir externe dans lequel est logé le réservoir interne, et un conduit raccordant fluidiquement l’entrée de fluide cryogénique de la vanne cryogénique au volume de réception, la vanne cryogénique étant agencée hors du réservoir externe.

D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles :

- La figure 1 est une représentation schématique simplifiée d’un ensemble conforme à l’invention, alimentant une pile à combustible, l’ensemble comprenant une unité de stockage d’hydrogène liquide, une vanne cryogénique et un échangeur de chaleur ;

- La figure 2 est une vue en coupe de la vanne de la figure 1 , la bride de l’échangeur de chaleur étant également représentée ;

- La figure 3 est une vue en perspective de la vanne de la figure 2 ;

- La figure 4 est une vue en perspective d’une partie de l’échangeur de chaleur de la figure 1.

L’ensemble 1 , représenté sur la figure 1 , est destiné à alimenter une pile à combustible 3.

L’ensemble 1 et la pile à combustible 3 sont typiquement prévus pour être embarqués à bord d’un véhicule ayant un moteur à propulsion électrique, par exemple un véhicule automobile, un train, un bateau ou tout autre véhicule. Le véhicule automobile est par exemple une voiture, un véhicule utilitaire, un camion, etc.

La pile à combustible 3 est configurée pour produire de l’électricité et alimenter le moteur à propulsion électrique.

La pile à combustible 3 comporte un circuit de gaz anodique 9 et un circuit de refroidissement de pile 1 1 . La pile à combustible 3 comporte encore un circuit de gaz cathodique, non représenté.

Le circuit de gaz anodique 9 est alimenté, par l’ensemble 1 , en dihydrogène, communément appelé hydrogène. Le circuit de gaz cathodique est alimenté en gaz oxydant, ce gaz oxydant étant typiquement le dioxygène contenu dans l’air, communément appelé oxygène de l’air ou oxygène.

Comme visible sur la figure 1 , l’ensemble 1 comprend une unité de stockage de fluide cryogénique 12, avec un réservoir interne 13 délimitant intérieurement un volume 15 de réception de fluide cryogénique, et un réservoir externe 17 dans lequel est logé le réservoir interne 13.

On entend par fluide cryogénique un fluide à une température très basse, qui se trouve au moins partiellement à l’état liquide à l’intérieur de l’unité de stockage. Ce fluide est typiquement de l’hydrogène, de préférence de l’hydrogène gazeux. En variante, le fluide est de l’hélium, de l’azote, un gaz naturel tel que le méthane CH4 de l’air, ou tout autre fluide adapté.

Un espace intermédiaire 19 sépare le réservoir interne 13 du réservoir externe 17.

Une isolation thermique 21 est interposée entre le réservoir interne 13 et le réservoir externe 17. L’espace intermédiaire 19 est maintenu sous un vide poussé, typiquement de l’ordre 10 ^-5 millibars, de manière à limiter fortement le transfert thermique par convection depuis le réservoir externe 17 vers le réservoir interne 13.

L’unité de stockage 12 est agencé pour stocker de l’hydrogène liquide.

L’ensemble 1 comporte encore une vanne cryogénique 23 et un échangeur de chaleur 25.

La vanne cryogénique 23 est agencée hors du réservoir externe 17.

Comme visible sur la figure 2, la vanne cryogénique 23 comprend :

- un corps de vanne 27 délimitant une entrée de fluide cryogénique 29, une sortie de fluide cryogénique 31 et un passage de fluide cryogénique 33 raccordant fluidiquement l’entrée de fluide cryogénique 29 à la sortie de fluide cryogénique 31 ;

- un obturateur 37 ;

- un actionneur 39 ;

- une chaîne cinématique 41 par l’intermédiaire de laquelle l’actionneur 39 déplace l’obturateur 37 entre une position d’obturation du passage de fluide cryogénique 33 et une position de dégagement du passage de fluide cryogénique 33.

Le corps de vanne 27 délimite encore une entrée de fluide caloporteur 43, visible sur la figure 3, une sortie de fluide caloporteur 45 et un passage de fluide caloporteur 47 raccordant fluidiquement l’entrée de fluide caloporteur 43 à la sortie de fluide caloporteur 45.

Le passage de fluide caloporteur 47 s’étend autour du passage de fluide cryogénique 33.

Plus précisément, le passage de fluide caloporteur 47 s’étend sur toute la périphérie du passage de fluide cryogénique 33.

En d’autres termes, le passage de fluide cryogénique 33 est délimité par des cloisons 49 du corps de vanne 27. Ces cloisons 49 sont des cloisons internes. Les cloisons internes 49 délimitent d’un premier côté le passage de fluide cryogénique 33 et d’un second côté, opposé au premier côté, le passage de fluide caloporteur 47. Les cloisons internes 49 délimitant le passage de fluide cryogénique 33 ne sont jamais en contact avec l’atmosphère extérieure.

Le passage de fluide caloporteur 47 s’étend pratiquement sur toute la longueur du passage de fluide cryogénique 33. Plus précisément, comme illustré sur la figure 2, le passage de fluide caloporteur 47 s’étend sur toute la longueur du passage de fluide cryogénique 33 à l’exception de la partie d’extrémité avale 51 du passage de fluide cryogénique 33.

Dans la présente description, les termes « amont » et « aval » sont entendus relativement au sens de circulation du fluide, ici du fluide cryogénique.

La partie d’extrémité avale 51 du passage de fluide cryogénique 33 est engagée à l’intérieur de l’échangeur de chaleur 25, et sa surface externe n’est pas en contact avec l’atmosphère extérieure.

Ainsi, si le passage de fluide cryogénique 33 présente une première longueur développée donnée, alors le passage de fluide caloporteur 47 s’étend le long d’une portion du passage de fluide cryogénique 33 présentant une seconde longueur développée supérieure à 75 % au moins de la première longueur développée.

Le corps de vanne 27, comme visible sur la figure 3, présente une bride de vanne 53, prévue pour la fixation à l’échangeur de chaleur 25.

La partie d’extrémité avale 51 du passage de fluide cryogénique 33 est située au centre de la bride de vanne 53, et fait saille par rapport à la bride de vanne 53.

La bride de vanne 53 présente une surface d’appui 54, plane, prévue pour venir en appui contre une surface correspondante de l’échangeur de chaleur 25. La partie d’extrémité avale 51 fait saillie par rapport à la surface d’appui 54.

La sortie de fluide caloporteur 45 est annulaire, et entoure la partie d’extrémité avale 51.

Des ponts de matière 55 raccordent le bord radialement externe de la sortie de fluide caloporteur 45 à la partie d’extrémité avale 51 du passage de fluide cryogénique 33. Ces ponts de matière 55 divisent la sortie de fluide caloporteur 45 en plusieurs secteurs annulaires.

Le passage de fluide cryogénique 33 comprend un premier tronçon rectiligne 57 s’étendant selon une première direction X à partir de l’entrée de fluide cryogénique 29, et un second tronçon rectiligne 59, s’étendant selon une seconde direction Y, perpendiculaire à la première direction X.

Le second tronçon 59 s’étend à partir du premier tronçon 57 jusqu’à la sortie de fluide cryogénique 31. La partie d’extrémité avale 51 constitue une extrémité du second tronçon 59.

La bride de vanne 53 est sensiblement perpendiculaire à la seconde direction Y.

L’entrée de fluide cryogénique 29 s’ouvre dans une face inférieure 61 du corps de vanne 27.

Cette face inférieure 61 est sensiblement perpendiculaire à la première direction X. Elle est prévue pour être montée en appui contre la surface externe du réservoir externe 17.

La face inférieure 61 du corps de vanne 27 porte une nervure circulaire 63 s’étendant autour de l’entrée de fluide cryogénique 29.

La surface 65 de la face inférieure 61 , entourant l’entrée 29, constitue le siège de la vanne cryogénique 23. L’obturateur 37, dans sa position d’obturation, est en appui contre cette surface 65.

La vanne cryogénique 23 comporte encore un capot 67 rapporté sur une face supérieure 69 du corps de vanne 27. La face supérieure 69 délimite le corps de vanne 27 à l’opposé de la face inférieure 61 , suivant la première direction X.

Le capot 67 délimite intérieurement un volume interne 71 communiquant avec le passage de fluide caloporteur 33 à travers une ouverture 73 ménagée dans la face supérieure 69 du corps de vanne 27.

L’actionneur 39 est monté sur le capot 67.

L’actionneur 39, dans l’exemple représenté, est de type pneumatique.

Il comporte un organe d’entrainement 75, déplaçable suivant la première direction X.

Cet organe d’entraînement 75 comporte une collerette 77, sensiblement perpendiculaire à la première direction X, logée à l’intérieur du capot 67. Il comporte également un ergot 79, traversant le fond du capot 67 et engagé dans le corps 80 de l’actionneur 39.

L’actionneur 39 comporte encore une membrane interne 81 , agencée à l’intérieur du corps 80 de l’actionneur 39, et susceptible de venir appuyer sur l’ergot 79 pour déplacer l’obturateur 37.

La chaîne cinématique 41 comprend une tige 83 ayant une partie d’extrémité distale 85 portant l’obturateur 37.

La tige 83 comporte également une partie d’extrémité proximale 87, liée à l’organe d’entraînement 75.

Dans l’exemple représenté, la partie d’extrémité proximale 87 est liée à l’organe d’entraînement 75 par un manchon 88.

Une partie intermédiaire de la tige 83 est engagée dans un orifice 89 ménagé dans la cloison interne 49 du corps de vanne 27. L’orifice 89 est un passage délimité par un fût 90 cylindrique de la cloison interne 49 du corps de vanne 27.

L’orifice 89 présente une section sensiblement conjuguée de la section de la partie intermédiaire de la tige 83, et guide la tige 83 en translation. La tige 83 s’étend suivant la première direction X, et se déplace suivant cette première direction X.

Comme expliqué plus haut, dans sa position d’obturation, l’obturateur 37 est en appui contre le siège 65 de la vanne cryogénique 23. Dans sa position de dégagement, l’obturateur 37 est soulevé et n’est plus en appui contre le siège 65 de la vanne cryogénique 23. Il est décalé vers l’extérieur du passage de fluide cryogénique 33, c’est-à-dire vers le bas de la figure 2.

Dans la position d’obturation, l’appui de l’obturateur 37 sur son siège 65 limite la course de la chaîne cinématique 41 qui est mobile. Dans la position de dégagement, la collerette 77 est décalée à distance du fond du capot 67, suivant la première direction X, vers l’entrée de fluide cryogénique 29.

La vanne cryogénique 23 comporte encore un ressort de rappel 91 , rappelant l’obturateur 37 vers sa position d’obturation.

Dans l’exemple représenté, ce ressort de rappel 91 est un ressort de compression hélicoïdal, coaxial à la première direction X. A une extrémité, il est en appui contre la collerette 77. A son extrémité opposée, il est en appui contre la cloison interne 49, autour du fût 90.

La vanne cryogénique 23 comporte encore un soufflet d’étanchéité 93 agencé autour de la partie d’extrémité distale 87 de la tige 83. Une extrémité proximale 95 du soufflet d’étanchéité 93 est liée de manière étanche par soudage à l’organe d’entraînement 75. Une extrémité distale 97 du soufflet d’étanchéité 93 est liée de manière étanche par soudage à la cloison interne 49 du corps de vanne 27, autour de l’orifice 89.

Plus précisément, l’extrémité proximale 95 du soufflet d’étanchéité 93 est soudée de manière étanche à une rondelle 99, elle-même soudée de manière étanche à la collerette 77 de l’organe d’entraînement 75 de l’actionneur 39.

L’extrémité distale 97 du soufflet d’étanchéité 93 est soudée de manière étanche à une autre rondelle 101 , elle-même soudée de manière étanche à la cloison interne 49 du corps de vanne 27.

Le soufflet d’étanchéité 93 et le ressort de rappel 91 sont en partie logés dans le volume interne 71 du capot 67.

L’échangeur de chaleur 25 comporte un coté de circulation de fluide cryogénique 103 et un coté de circulation de fluide caloporteur 105 (figure 4). Le coté de circulation de fluide cryogénique 103 présente une entrée d’échangeur de fluide cryogénique 107, raccordée à la sortie de fluide cryogénique 31 de la vanne cryogénique 23. Le coté de circulation de fluide caloporteur 105 présente une entrée d’échangeur de fluide caloporteur 109, raccordée à la sortie de fluide caloporteur 45 de la vanne cryogénique 23. Comme visible nettement sur la figure 4, l’échangeur de chaleur 25 comporte une bride d’échangeur 111 , dans laquelle sont ménagées l’entrée d’échangeur de fluide cryogénique 107 et l’entrée d’échangeur de fluide caloporteur 109.

L’entrée d’échangeur de fluide caloporteur 109 est annulaire et entoure l’entrée d’échangeur de fluide cryogénique 107.

Des ponts de matière 113 raccordent un bord radialement externe de l’entrée d’échangeur de fluide caloporteur 109 à la surface externe de l’entrée d’échangeur de fluide cryogénique 107. Ces ponts de matière 1 13 divisent l’entrée d’échangeur de fluide caloporteur 109 en plusieurs secteurs annulaires.

La bride de vanne 53 est fixée à la bride d’échangeur 111.

Les brides de vanne 53 et d’échangeur 111 sont fixées l’une à l’autre de manière amovible, par des organes de fixation tels que des vis ou des tirants, engagés dans des orifices des brides de vanne 53 et d’échangeur 111.

Les organes de fixation ne sont pas représentés sur les figures.

Quand les brides de vanne 53 et d’échangeur 111 sont fixées l’une à l’autre, la partie d’extrémité avale 51 est engagée à l’intérieur de l’entrée d’échangeur de fluide cryogénique 107 (voir figure 2). La sortie de fluide caloporteur 45 est placée exactement en coïncidence avec l’entrée d’échangeur de fluide caloporteur 109.

Dans cette situation, la bride de vanne 53 et la bride d’échangeur 111 sont en contact l’une avec l’autre le long d’une zone de contact 1 15. La zone de contact 1 15 présente une portion 117 qui sépare l’entrée d’échangeur de fluide cryogénique 107 de l’entrée d’échangeur de fluide caloporteur 109, et qui sépare également la sortie de fluide cryogénique 31 de la sortie de fluide caloporteur 45.

Dans l’exemple représenté, la portion 117 correspond à une zone de la surface externe de la partie d’extrémité 51 , en contact avec une zone de la surface interne de l’entrée d’échangeur de fluide cryogénique 107.

Par ailleurs, la bride d’échangeur 11 1 présente un canal 1 19 raccordant fluidiquement la portion 117 à l’extérieur.

Un premier joint d’étanchéité 121 est interposé entre d’une part la portion 117 et d’autre part la sortie de fluide cryogénique 31 et l’entrée d’échangeur de fluide cryogénique 107.

En d’autres termes, le joint 121 isole la portion 117 du fluide cryogénique circulant de la sortie de fluide cryogénique 31 vers l’entrée d’échangeur de fluide cryogénique 107.

Un deuxième joint d’étanchéité 123 est interposé entre d’une part la portion 117 et d’autre par la sortie de fluide caloporteur 45 et l’entrée d’échangeur de fluide caloporteur En d’autres termes, le joint d’étanchéité 123 isole la portion 1 17 du fluide caloporteur circulant de la sortie de fluide caloporteur 45 vers l’entrée d’échangeur de fluide caloporteur 109.

Typiquement, la portion 117 porte une gorge 125, agencée entre les joints d’étanchéité 121 et 123. Le canal 1 19 débouche dans la gorge 125.

La zone de contact 115 porte encore un troisième joint 127, interposé entre d’une part la sortie de fluide caloporteur 45 et l’entrée d’échangeur de fluide caloporteur 109 et d’autre part l’atmosphère extérieure.

Le troisième joint 127 empêche les fuites de fluide caloporteur vers l’extérieur. Les premier et deuxième joints 121 , 123 empêchent les fuites du circuit de fluide cryogénique vers le circuit de fluide caloporteur.

Dans l’échangeur de chaleur 25, le coté de circulation de fluide cryogénique 103 comporte un tube unique 129, venu de matière. Le tube 129 présente une extrémité amont 131 soudée de manière étanche à la bride d’échangeur 11 1. L’entrée d’échangeur de fluide cryogénique 107 débouche dans le tube 129 (figure 2). Le tube 129 est plié en S dans l’exemple représenté.

Le coté de circulation de fluide caloporteur 105 comporte une enveloppe 133, délimitant un volume interne dans lequel est logé le tube 129. Le fluide caloporteur circule à l’intérieur de l’enveloppe 133. La bride d’échangeur 111 est rigidement fixée à l’enveloppe 133. L’entrée d’échangeur de fluide caloporteur 109 débouche dans le volume interne de l’enveloppe 133.

Avantageusement, le corps de vanne 27 est venu de fonderie.

En d’autres termes, le corps de vanne 27 est d’une pièce. Il est monobloc, le passage de fluide cryogénique 33 et le passage de fluide caloporteur 47 étant obtenus directement lors de l’obtention du corps de vanne 27 en fonderie.

Avantageusement, le corps de vanne 27 est en un acier inoxydable de type 316L. Ce métal présente des caractéristiques thermiques particulièrement adaptées. Il présente une conductivité thermique comprise entre 2 et 4 W/m.K à 20 K. Ceci permet d’avoir un gradient de température important au niveau des cloisons internes 49, qui séparent le passage de fluide cryogénique 33 du passage de fluide caloporteur 47.

Avantageusement, chaque cloison 49 présente une épaisseur supérieure à 2 millimètres. Une telle épaisseur contribue également à l’obtention d’un gradient de température important entre le passage de fluide cryogénique 33 et le passage de fluide caloporteur 47. Typiquement, l’épaisseur de la cloison interne 49 est comprise entre 3 millimètres et 8 millimètres, en fonction des endroits. Par exemple, dans le cas d’une pile à combustible 3 produisant 1 10 kW, le débit d’hydrogène à travers la vanne cryogénique 23 est de l’ordre de 7 g/s, l’hydrogène étant à 20 K. Le débit de fluide caloporteur est alors de 40 l/min. La température de peau interne, c’est-à-dire la température au niveau de la cloison interne 49 du côté du passage de fluide cryogénique 33, est comprise entre -100°C et -50°C. Les parties du corps de vanne 27 en contact avec le fluide caloporteur sont à des températures qui varient entre -10°C et 5°C. Ceci est compatible avec l’utilisation d’eau glycolée comme fluide caloporteur.

Les surfaces du corps de vanne 27 en contact avec le fluide cryogénique sont usinées, pour éliminer les résidus de fonderie. En effet, les surfaces d’une pièce venue de fonderie peuvent porter des résidus détachables, mais également des polluants tels que de l’huile ou des solvants.

Les surfaces du corps de vanne 27 sont usinées au sens où une fine couche de ces surfaces est retirée, au moyen d’un outil d’usinage, typiquement une fraiseuse. Cet usinage n’est pas prévu pour modifier la forme du corps de vanne 27, cette forme étant obtenue à l’étape de fonderie.

Les surfaces usinées comprennent l’orifice 89, et la surface interne du passage de fluide cryogénique 33.

La face inférieure 61 du corps de vanne 27 est également usinée, du fait qu’elle définit le siège 65 de la vanne cryogénique 23. Elle est en contact avec des joints d’étanchéité 137, portés par l’obturateur 37.

De même, la face supérieure 69 du corps de vanne 27 est usinée, du fait qu’elle est en contact avec le joint 139 assurant l’étanchéité entre le capot 67 et le corps de vanne 27.

La surface du corps de vanne 27 délimitant la zone de contact 1 15 est également usinée, du fait qu’elle porte les joints 121 , 123 et 127.

L’ensemble 1 comporte encore un circuit de fluide caloporteur 141 (figure 1 ).

Le fluide caloporteur est typiquement de l’eau comportant un antigel, typiquement du glycol.

Le circuit de fluide caloporteur 141 , comme illustré sur la figure 1 , comprend un vase d’expansion 143, ayant une sortie de vase d’expansion 145 et une entrée de vase d’expansion 147. Le circuit de refroidissement de pile 11 présente quant à lui une entrée de refroidissement 149 et une sortie de refroidissement 151 . L’entrée de vase d’expansion 147 est raccordée fluidiquement à la sortie de refroidissement 151 .

Le circuit de fluide caloporteur 141 comporte encore un organe de circulation de fluide caloporteur 153 ayant une aspiration 155 raccordé fluidiquement à la sortie de vase d’expansion 145, et un refoulement 157 raccordé fluidiquement à l’entrée de fluide caloporteur 43 de la vanne cryogénique 23. L’organe de circulation de fluide caloporteur 153 est typiquement une pompe, de tout type adapté.

Le circuit de fluide caloporteur 141 comporte également un organe d’orientation 159 ayant une entrée 161 raccordée fluidiquement à une sortie d’échangeur de fluide caloporteur 163 de l’échangeur de chaleur 25. L’organe d’orientation 159 comporte encore une première sortie 165 raccordée fluidiquement à l’entrée de vase d’expansion 147. Il comporte également une seconde sortie 167 raccordée fluidiquement à l’entrée de refroidissement 149 du circuit de refroidissement de pile 1 1 .

L’organe d’orientation 159 est configuré pour raccorder fluidiquement l’entrée 161 sélectivement à la première sortie 165 ou à la seconde sortie 167.

L’organe d’orientation 159 est typiquement une vanne 3 voies.

Par ailleurs, l’échangeur de chaleur 25 présente une sortie d’échangeur de fluide cryogénique 169. Cette sortie correspond à l’extrémité avale du tube 129.

La sortie d’échangeur de gaz cryogénique 169 est raccordée fluidiquement à une entrée de gaz anodique 171 du circuit de gaz anodique 9 de la pile à combustible 3. Ce circuit de gaz anodique 9 présente une sortie de gaz anodique non représentée. Eventuellement, une vanne 173 est intercalée entre la sortie d’échangeur de gaz cryogénique 169 et l’entrée de gaz anodique 171.

Comme illustré sur la figure 1 , un conduit 175 raccorde fluidiquement l’entrée de gaz cryogénique 29 de la vanne cryogénique 23 au volume de réception 15 de l’unité de stockage 12 de gaz cryogénique.

L’ensemble 1 comporte encore un contrôleur 177. Le contrôleur 177 pilote la vanne cryogénique 23, l’organe d’orientation 159, l’organe de circulation 153 et éventuellement la vanne 173, en fonction d’information reçue du ou des calculateur(s) de bord du véhicule.

Le fonctionnement de l’ensemble 1 va maintenant être détaillé.

Quand la pile à combustible 3 est en fonctionnement, le contrôleur 177 commande à la vanne cryogénique 23 de placer l’obturateur 37 dans sa position de dégagement.

L’actionneur 39, par le biais de la membrane 81 , pousse l’organe d’entrainement 75 selon la première direction X vers l’entrée de gaz cryogénique 29. L’organe d’entrainement 75 pousse à son tour la tige 83, qui soulève l’obturateur 37. Le ressort de rappel 91 et le soufflet d’étanchéité 93 sont comprimés. Le gaz cryogénique peut alors s’écouler depuis le volume interne 15 de l’unité de stockage 12 de fluide cryogénique jusque dans le passage de gaz cryogénique 33, puis du coté de circulation de fluide cryogénique 103 de l’échangeur de chaleur 25.

Le gaz cryogénique est à une température de 20K environ dans l’unité de stockage

12 de fluide cryogénique. Il est réchauffé jusqu’à une température de 0°C environ dans l’échangeur de chaleur. Le gaz cryogénique circule ensuite jusqu’à l’entrée 171 du circuit de gaz anodique de la pile à combustible.

Le contrôleur 177 par ailleurs maintient l’organe de circulation 153 en fonctionnement, et commande à l’organe d’orientation 159 de mettre en communication l’entrée 161 avec la seconde sortie 167.

L’organe de circulation 153 refoule donc le fluide caloporteur à partir du vase d’expansion 143 jusqu’à l’entrée de fluide caloporteur 43 de la vanne cryogénique 23. Le fluide caloporteur circule le long du passage de fluide caloporteur 47 jusqu’à la sortie de fluide caloporteur 45.

Le fluide caloporteur remplit notamment le volume interne 71 du capot 67, maintenant le soufflet d’étanchéité 93 à une température modérée. Le volume situé à l’intérieur du soufflet d’étanchéité 93 est rempli par le fluide cryogénique, à travers l’orifice 89. Toutefois, la circulation de fluide cryogénique entre l’intérieur du soufflet d’étanchéité 93 et le passage de fluide cryogénique 33 est très réduite, du fait que l’orifice 89 offre une section de passage très faible au fluide cryogénique. Le soufflet d’étanchéité 93 est donc en permanence à une température proche de celle du fluide caloporteur.

Le fluide caloporteur circule ensuite dans le coté de circulation de fluide caloporteur 105 de l’échangeur de chaleur 25, depuis l’entrée d’échangeur de fluide caloporteur 109 jusqu’à la sortie d’échangeur de fluide caloporteur 163. Il circule à partir de la sortie d’échangeur de fluide caloporteur 163 jusqu’à l’organe d’orientation 159, et est dirigé jusqu’à l’entrée de refroidissement 149 de circuit de refroidissement de pile 11. Le fluide caloporteur est réchauffé en traversant la pile à combustible 3, puis est dirigé depuis la sortie de refroidissement 151 jusqu’à l’entrée du vase d’expansion 143.

L’ensemble décrit ci-dessus, notamment la vanne cryogénique, présente de multiples avantages.

Du fait que la sortie de fluide caloporteur est annulaire et entoure une partie d’extrémité avale du passage de fluide cryogénique, il est possible de raccorder commodément la vanne cryogénique à l’échangeur de chaleur, sans risque de liquéfaction de l’air au contact d’une surface à très basse température.

Du fait que le corps de vanne est venu de fonderie, d’une pièce, la vanne est extrêmement économique à produire.

Le fait que les surfaces en contact avec le fluide cryogénique soient usinées, permet d’obtenir un excellent état de surface, et de garantir la propreté de l’hydrogène.

Le fait que les cloisons internes de la vanne cryogénique présentent une épaisseur supérieure à 2 millimètres permet de garantir un gradient de température élevé à travers les cloisons internes, et permet de garantir que le fluide caloporteur ne gèle pas dans le passage de fluide caloporteur.

Le fait que la vanne cryogénique comprenne un soufflet d’étanchéité agencé autour de la partie d’extrémité proximale de la tige portant l’obturateur, une extrémité proximale du soufflet étant liée de manière étanche par soudage à l’organe d’entraînement de l’actionneur, une extrémité distale du soufflet étant liée de manière étanche par soudage à l’au moins une cloison interne autour de l’orifice de guidage de la tige, fait que la vanne cryogénique est particulière étanche de conception du côté du fluide cryogénique. Les points de fuite possibles sont seulement au niveau des soudures entre le soufflet et l’organe d’entraînement, et au niveau des soudures entre le soufflet et la ou les cloison(s) interne(s).

Le raccordement par bride entre l’échangeur et la vanne cryogénique est particulièrement simple.

Le fait d’avoir une sortie de fluide caloporteur entourant la sortie de fluide cryogénique coté vanne et une entrée de fluide caloporteur entourant l’entrée de fluide cryogénique coté échangeur de chaleur permet de garantir qu’il n’y a, en aucun point, un risque de liquéfaction de l’air au contact de surfaces baignées par le fluide cryogénique.

Les premier et deuxième joints d’étanchéité permettent d’isoler de manière particulièrement efficace le circuit de gaz cryogénique du circuit de fluide caloporteur. En cas de fuite, ces fuites sont collectées par le canal prévu à cet effet et conduites à l’extérieur. Eventuellement, un détecteur d’hydrogène est raccordé au canal.

Le fait que le coté de circulation de fluide cryogénique de l’échangeur de chaleur comporte un tube unique, venu de matière, présentant une extrémité amont soudée à la bride d’échangeur, fait que le nombre de soudures du côté fluide cryogénique de l’échangeur de chaleur est minimum. Les sources de fuite sont drastiquement limitées. Par ailleurs, ce tube est capable de résister à des pressions très importantes. Ce type d’échangeur, avec un tube unique, est particulièrement simple et économique.

Comme précisé plus haut, le fait que la vanne cryogénique soit placée à l’extérieur de l’unité de stockage de fluide cryogénique permet de simplifier considérablement la conception de la vanne cryogénique. Ceci est rendu possible par le fait que le corps de vanne incorpore un passage pour un fluide caloporteur qui entoure le passage de gaz cryogénique.

L’ensemble et la vanne cryogénique décrits ci-dessus peuvent présenter de multiples variantes.

L’actionneur, l’obturateur et la chaine cinématique peuvent être de tout type adapté, différent de l’exemple décrit plus haut. L’actionneur n’est pas nécessairement un actionneur pneumatique mais pourrait être électrique. La tige pourrait être venue de matière avec l’organe d’entraînement, et ne pas être liée à l’organe d’entraînement par le biais d’un manchon.

Le passage de fluide cryogénique pourrait ne pas comporter une partie d’extrémité avale en saillie par rapport à la bride de vanne. Ce passage pourrait s’arrêter de niveau avec la surface d’appui de la bride de vanne. Alternativement, l’entrée d’échangeur de fluide cryogénique pourrait être en saillie par rapport à la bride d’échangeur et pénétrer à l’intérieur de la sortie de fluide cryogénique de la vanne cryogénique.

Le canal d’évacuation des fuites de fluide cryogénique pourrait être ménagé dans la bride de la vanne cryogénique, et non pas dans la bride de l’échangeur de chaleur. L’ensemble n’est pas nécessairement destiné à alimenter une pile à combustible. Il pourrait alimenter un autre type d’équipement comme un moteur à combustion interne fonctionnant à l’hydrogène comme carburant, ou encore dans le domaine de la chimie pour la production de produits tels que l’ammoniac ou de l’engrais. Il est également possible d’alimenter des chaudières pour remplacer le gaz tel que du méthane. Le fluide cryogénique n’est pas nécessairement de l’hydrogène, mais pourrait être de tout autre type : hélium, ou encore oxygène, air, azote, etc...