Technologie de l’hydrogène

Énergie verte – cercle d’hydrogène – économie de l’hydrogène

L’une des principales clés de l’énergie verte et de la mobilité verte est l’utilisation de l’hydrogène comme carburant, pour le stockage de l’énergie et comme outil pour les processus de transfert d’énergie. C’est pourquoi on a établi ce que l’on appelle le “cercle de l’hydrogène”, qui montre l’utilisation de l’hydrogène depuis la production, le stockage et l’exportation jusqu’à l’utilisation comme combustible et le retour à la production.

Comme il existe de nombreuses façons de réaliser chaque étape de ce cycle, certains concepts de recherche ont été établis afin de combler les lacunes et d’accéder aux techniques nécessaires qui ne sont pas encore totalement développées. La société de recherche Fraunhofer a élaboré et publié une feuille de route sur l’hydrogène pour l’Allemagne, où tous les domaines et sujets de recherche sont présentés.

Le schéma suivant montre les secteurs clés :

La feuille de route montre les utilisations possibles de l’hydrogène dans un avenir proche. Le problème clé est toujours le stockage et la production, car tous les secteurs sont concernés par la question du stockage sûr et efficace de l’hydrogène. Une autre question à laquelle il faut répondre est de savoir si la production centrale ou décentralisée d’hydrogène est plus prometteuse et si elle sera utilisée comme combustible directement ou sous forme d’ammoniac ou de substances similaires.

1. Le cycle de l’hydrogène – Les sources d’énergie renouvelables

Le cycle de l’hydrogène commence par la production d’hydrogène par des centrales électriques vertes. Les principales sources d’énergie renouvelable sont les centrales hydroélectriques, les éoliennes, les parcs photovoltaïques, les centrales géothermiques et les centrales à biomasse. L’objectif est de produire de l’énergie en quantité suffisante, sans émissions de CO2 et sans produire de déchets nucléaires.

L’analyse thermique et la science des matériaux sont présentes dans tous les cas :

• de la recherche sur les matériaux composites, de leur utilisation sur les pales d’éoliennes
• à l’optimisation des matériaux semi-conducteurs dans les cellules photovoltaïques
• à l’optimisation de la production directe d’hydrogène à partir d’applications de la biomasse.

Exemple d’application : Comportement de la dilatation thermique des matériaux de construction légers

Un bon exemple où l’analyse thermique entre en jeu dans le domaine des énergies renouvelables est la comportement de dilatation thermique des matériaux de construction légers comme les composites pour les pales d’éoliennes :

Les matériaux composites sont utilisés dans les constructions légères ou comme matériaux de construction spéciaux à de nombreuses fins.
Par exemple, le les pales des éoliennes sont fabriquées en alliages d’aluminium légers ou en polymères légers..

La mesure montre la légère différence entre deux composites polymères qui sont utilisés pour des constructions rigides mais légères comme les pales d’éoliennes. Le delta L absolu qui a été mesuré par un dilatomètre à poussoir Linseis en chauffage constant avec une vitesse linéaire de 5 K/min (courbe inférieure). Elle ne montre pas de différence significative entre les deux échantillons analysés. De même, l’expansion relative (courbes rouges) est très similaire.

Cependant, il y a une légère différence qui devient visible lorsque le CTE est observé. Avant le point de transformation à environ 200°C, il y a un petit effet qui ne peut être vu que sur l’un des deux échantillons, indiquant une autre petite transformation ou un changement de phase que l’autre matériau ne montre pas.

Exemple d’application : DEA – analyse diélectrique / surveillance de la polymérisation

Pour une production rentable et de haute qualité de matériaux composites, il est de la plus haute importance de connaître à la fois le temps exact et le profil de température requis, pour s’assurer que la pièce spécifique est finie.

Si ces paramètres sont mal choisis, soit la qualité de ne peut être atteinte, soit de l’argent a été gaspillé. Ce processus de durcissement peut être surveillé en cas de temps d’attente trop longs grâce à la DEA – Analyse diélectrique.

Le durcissement de la plupart des polymères peut être observé par des capteurs DEA qui sont placés dans le matériau non durci.

Dans l’exemple, la résine est chauffée à 180 °C isotherme et un capteur DEA est appliqué. La courbe rouge montre la température isotherme de l’échantillon et du capteur. La viscosité ionique et la pente de la viscosité ionique sont surveillées.

Les trois points significatifs CP2, CP3 et CP4 marquent le début (viscosité minimale), la vitesse de réaction maximale (pente maximale) et la fin du durcissement. Ces informations sont cruciales pour le durcissement correct des polymères, car les matériaux non durcis peuvent entraîner de graves problèmes de qualité.

Exemple d’application : Qualité et comportement des matières premières, par exemple la biomasse.

Un autre point important pour la production d’hydrogène est la qualité et le comportement des matières premières, par exemple la biomasse utilisée pour la production d’électricité et d’hydrogène.

La question est de savoir quelle quantité d’hydrogène peut être obtenue par diverses matières premières pendant la gazéification, quelle quantité d’énergie est requise et quel est le résultat total. Ce résultat peut être contrôlé par thermogravimétrie sous pression et par thermogravimétrie et calorimétrie combinées (STA), comme le montre l’exemple d’application suivant.

Biomass gasification

Une application typique des mesures d’ATG à haute pression est l’étude de la gazéification du charbon ou de l’hydrogazéification. Ce processus, dans lequel le carbone est chauffé dans une atmosphère de vapeur d’eau, est utilisé dans les processus catalytiques, par exemple pour éliminer le monoxyde de carbone des gaz d’échappement et, en particulier, pour extraire des composés organiques précieux de ressources telles que le charbon de bois ou la biomasse.

L’exemple donné montre une expérience typique de gazéification de biomasse sèche. L’échantillon de biomasse a été chauffé jusqu’à un plateau isotherme sous atmosphère d’azote à une pression de 50 bars (TGA haute pression – Thermo balance).

Le signal de masse montre la perte des composants volatils entre 20 et 40 min. Après l’ajout de vapeur d’eau, la biomasse a été gazéifiée et presque entièrement consommée après 150 min, ce qui a conduit à la formation de H2, CO, CH3OH et d’autres gaz réactifs utiles, comme le montre la courbe rouge de perte de masse.

L’ensemble du processus peut être décrit comme suit : Le carbone réagit avec la vapeur d’eau pour donner un mélange de monoxyde de carbone et d’hydrogène. Le monoxyde de carbone obtenu peut réagir avec une deuxième molécule d’eau pour donner du dioxyde de carbone et de l’hydrogène supplémentaire. Enfin, l’hydrogène résultant peut former du méthane et d’autres hydrocarbures à partir du monoxyde de carbone.

Exemple d’application : Investigation du comportement de combustion et de la teneur en cendres des composites.

Enfin, une fois le cycle de vie du produit terminé, les matériaux composites doivent être recyclés ou utilisés de manière énergétique. Pour cela, il peut être intéressantd’étudier le comportement de combustion et le contenu en cendres.

Ash content of rubber

Les matériaux contenant du carbone, les matières organiques et les polymères brûlent généralement lorsqu’ils sont chauffés. L’étude de la décomposition thermique de ces matériaux est donc un peu particulière. Dans la plupart des cas, elle est effectuée dans des atmosphères inertes au lieu de l’air pour pouvoir observer les effets de la décomposition et de la pyrolyse, suivie d’un passage à l’oxygène ou à l’air, ce qui entraîne la combustion du carbone contenu.

Si cette procédure est effectuée sur un analyseur thermique combiné (STA), la teneur en carbone, la teneur en matières inorganiques et la chaleur libérée peuvent être mesurées..

Cette mesure d’un échantillon de caoutchouc industriel a été réalisée avec un analyseur thermique simultané STA PT 1600, en partant d’une atmosphère d’azote.

L’échantillon a été chauffé en trois étapes avec chaque 30 K/min. La courbe bleue montre la perte de poids relative. Dans une première étape de perte de poids, la déshydratation de l’échantillon a lieu. La quantité d’eau était de 9,3 %. Le signal ATD correspondant (courbe violette) n’a pas montré d’effet pendant l’évaporation de l’eau.

Dans la deuxième étape de la réaction, les composants volatils sont libérés par pyrolyse sous atmosphère de N2. La quantité de ces composants est de 36,0 %. Leur libération peut être identifiée par un pic de réaction exothermique sur la courbe DTA.

Pour la troisième étape de la réaction, l’atmosphère est changée en O2, ce qui entraîne une combustion du carbone restant. La perte de poids est de 14,3 %. Les 40,4 % restants sont des composants inorganiques comme les cendres, les scories ou les charges.

2. Transformation de l’énergie électrique en énergie chimique (électrolyse, combustibles synthétiques)

Comme il est assez difficile de stocker l’énergie électrique, les grandes centrales électriques actuelles, comme les centrales au charbon et les centrales nucléaires, produisent une quantité continue d’énergie afin de couvrir la charge de base et des centrales plus variables, comme les centrales au gaz, sont utilisées pour compenser les fluctuations.

Comme la production d’électricité à partir d’énergies renouvelables est sujette à des fluctuations (par exemple pendant la nuit, la sécheresse ou lorsque le vent se calme), l’énergie produite doit être stockée, afin de répondre à la nécessité d’une demande d’énergie continue et fluctuante avec la production discontinue des sources d’énergie renouvelables.

En outre, certaines applications comme la mobilité (voitures, camions, avions à grande autonomie), nécessitent de grandes quantités d’énergie, le stockage de l’énergie électrique dans des accumulateurs n’est pas pratique, car les accumulateurs de la taille requise sont chers et ne sont pas prêts à fonctionner. Pour ces applications, il est plus pratique de transformer l’énergie électrique en énergie chimique sous forme de carburants synthétiques ou d’hydrogène. Comme le carburant synthétique est également produit à partir d’hydrogène, l’étape principale consiste à produire de l’hydrogène à partir d’eau par électrolyse.

L’électrolyse de l’eau est la séparation chimique de l’eau en oxygène et en hydrogène gazeux par l’application d’une tension externe. Comme ce processus de génération d’hydrogène nécessite beaucoup d’énergie, il existe aussi des méthodes qui génèrent de l’hydrogène par des catalyseurs ou des chaînes de réaction comme la gazéification du charbon.

Cependant, l’objectif est d’accéder à une électrolyse directe avec un débit et une efficacité élevés. Afin d’améliorer l’efficacité de l’électrolyse, les matériaux de la cathode et de l’anode ainsi que les catalyseurs et les matériaux de surface doivent être optimisés.

Exemple d’application : Catalyseurs – Dilatation thermique des fils de platine.

L’analyse thermique peut aider ici en caractérisant les matériaux utilisés en ce qui concerne la stabilité chimique, la conductivité thermique et la capacité d’absorption mais aussi par la détermination de l’expansion thermique pour améliorer les durées de vie et la qualité.

Le platine est utilisé comme catalyseur, en tant que matériau pur ou dans de nombreux alliages. L’utilisation en tant qu’alliage étant la plus courante en raison des nombreux avantages que présente un alliage, le comportement physique et chimique change légèrement. L’exemple montre la différence de dilatation thermique entre le platine et le platine avec 3 % de rhodium.

Dans l’exemple, le platine et un alliage de platine ont été mesurés à l’aide d’un dilatomètre à tige poussoir Linseis avec une vitesse de chauffage linéaire de 5 K/min. Les deux courbes inférieures montrent l’expansion thermique absolue, les courbes supérieures montrent l’expansion relative d’un échantillon de platine par rapport à un alliage platine-rhodium.

Même s’il n’y a qu’une différence minuscule dans la composition chimique, le comportement d’expansion montre une déviation de quelques μm dans la gamme jusqu’à 1000°C. En cas d’utilisation dans une structure complexe comme un réacteur, les valeurs d’expansion exactes doivent être prises en compte pour éviter d’endommager l’unité d’électrolyse en raison de coefficients d’expansion différents.

Exemple d’application : Gestion thermique – Conductivité thermique du graphite

Outre la dilatation thermique qui peut poser des problèmes dans une structure complexe, les propriétés thermophysiques telles que la conductivité thermique et la résistivité sont également très importantes.

La clé est une bonne gestion de la chaleur. S’il n’y a pas de grande différence de température au sein du réacteur, il n’y a pas non plus de problème de dilatation thermique. Pour cette raison, il est bon de connaître également les propriétés de transport thermique de tous les matériaux utilisés.

En résumé : L’optimisation des propriétés thermophysiques permet de réduire les coûts et d’améliorer la qualité. Les catalyseurs nanostructurés, par exemple, ont une plus grande surface active et nécessitent moins de matières premières.

Le graphite est une espèce de carbone qui se présente sous la forme d’un solide gris foncé. Il possède une résistance chimique très élevée et est utilisé de nombreuses façons, par exemple comme matériau de cathode, matériau de construction, composant de capteur et bien d’autres encore. S’il est chauffé, il réagit avec l’oxygène pour former du monoxyde de carbone ou du dioxyde de carbone, mais il peut atteindre des températures très élevées s’il est chauffé dans un environnement inerte et sans oxygène. C’est pourquoi il est utilisé dans les fours à ultra-haute température comme matériau de four ou même comme élément chauffant.

Dans cet exemple, un échantillon de graphite a été analysé sous vide à l’aide d’un LFA 1000 (Laserflash Analyzer). La diffusivité thermique a été mesurée directement à plusieurs étapes de température entre RT et 1100°C. La capacité thermique spécifique a été déterminée en utilisant un standard de graphite connu dans une seconde position de l’échantillon comme référence dans la même mesure.

Le produit de la diffusivité, de la chaleur spécifique et de la densité donne la conductivité thermique correspondante. Le résultat montre une conductivité thermique linéaire décroissante, ce qui est typique, et une diffusivité thermique qui montre un plateau au-dessus de 500°C. Le Cp augmente légèrement avec la température.

Application example: Synthetic Fuel – Pressure dependent reactions by STA High Pressure

Pour certaines applications, comme les avions, il peut être avantageux de lier l’énergie électrique sous une forme plus stable que l’hydrogène, qui sont des carburants synthétiques.

Les carburants synthétiques présentent le grand avantage de pouvoir utiliser les infrastructures et les modèles existants tels quels. L’idée est d’utiliser l’hydrogène vert et de former des hydrocarbures synthétiques avec celui-ci. Au cours du processus de formation, le CO2 de l’atmosphère est lié, mais lors de l’utilisation (combustion) du carburant synthétique, le CO2 est à nouveau libéré.

Le processus de formation des carburants synthétiques (processus Fischer-Tropsch) peut être optimisé en utilisant des systèmes TG et TG/DSC à haute pression comme le LINSEIS High Pressure -STA.

La série STA HP de Linseis permet d’effectuer des mesures sous pression élevée contrôlée. Pour certaines réactions comme les décompositions, l’adsorption et la désorption, le comportement des échantillons et des matériaux dépend beaucoup des conditions atmosphériques car il existe une dépendance à la pression de nombreuses réactions.

Ces courbes montrent la mesure comparative de la décomposition de l’oxalate de calcium hydraté sous pression (20 bars, courbe rouge) par rapport aux conditions atmosphériques (courbe bleue). Une dépendance significative de la pression des étapes de décomposition 1 (perte d’eau) et 3 (perte de dioxyde de carbone) peut être observée.

Les étapes de décomposition 1 et 3 sont déplacées vers des températures plus élevées à une pression élevée. La deuxième étape est la transformation irréversible de l’oxalate organique en carbonate inorganique, libérant du monoxyde de carbone. Comme cette transformation n’est pas réversible, elle ne dépend pas de la pression.

3. Stockage de l’hydrogène

L’hydrogène étant un gaz très volatile, son stockage et son transport sont plutôt difficiles. Il peut être stocké par compression du gaz H2 dans des cylindres, mais en raison de la pression élevée nécessaire (il existe des cylindres dont la pression maximale peut atteindre 700 bars) et des problèmes technologiques et de sécurité qui en découlent (l’hydrogène diffuse à travers tout matériau avec le temps), d’autres technologies sont préférées.

Par exemple, l’hydrogène peut être stocké par sorption sur différents types de matériaux où il est plus ou moins chimiquement fixé (structures organiques métalliques (MOF), zéolites, liquides ioniques, etc.) Cependant, le stockage sous forme d’hydrure métallique est le plus prometteur.

Dans ce cas, l’hydrogène est chimiquement lié à une surface métallique en formant un hydrure stable. Ce processus peut être optimisé en augmentant la surface grâce à l’utilisation de matériaux poreux tels que les zéolithes et les structures synthétiques avec des nanopores. Dans de nombreux matériaux, l’hydrogène peut ensuite être libéré par des changements de température ou de pression contrôlés et faciles à appliquer. Le risque de diffusion incontrôlée n’existe plus.

Exemple d’application : Sorption de STA à haute pression

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L’analyse thermique, en particulier l’analyse gravimétrique, peut aider à identifier les conditions exactes de sorption, les taux de libération et de stockage pour optimiser les cycles de charge et de libération.

La mesure de la sorption effectuée avec des méthodes volumétriques ne donne normalement aucune information sur le flux de chaleur et l’enthalpie. Si la chaleur de sorption est intéressante, une deuxième expérience est nécessaire.

L’analyseur de sorption gravimétrique (TG-DSC haute pression), qui mesure à la fois le changement de poids (Thermogravimétrie TGA) et le signal (DSC) Differential Scanning Calorimetry-, offre une alternative beaucoup plus rapide.

En une seule expérience, la capacité de sorption ainsi que la chaleur de sorption peuvent être mesurées. La figure montre la partie de la mesure DSC de l’adsorption de l’hydrogène sur un catalyseur Pt/Al à une pression de 15 bar et une température de 80°C. La chaleur dégagée est de 30,5 J/g. La chaleur de sorption a été directement déterminée pendant l’expérience de sorption et montre un pic clair. Dans la courbe ci-dessus, le temps entre l’introduction de l’hydrogène et la réaction de sorption a été suivi pour montrer la vitesse à laquelle l’échantillon interagit avec l’atmosphère.

4. Dispositifs et procédés utilisant l’hydrogène comme combustible

Une fois que l’hydrogène est créé, stocké et disponible pour une utilisation (mobile), sa haute densité énergétique permet diverses applications.

Les plus courantes sont l’utilisation comme agent réducteur, carburant, gaz porteur et pour la synthèse de molécules comme les hydrates de carbone, l’ammoniac ou bien d’autres encore. Une application fréquemment utilisée est le frittage des métaux.

Les pièces contenant des métaux ou des oxydes métalliques sont souvent fabriquées en comprimant des poudres pour obtenir ce que l’on appelle des corps verts. Ces corps verts sont ensuite consolidés en les chauffant à une température inférieure au point de fusion, un processus appelé frittage. Lors du frittage, une réduction des dimensions est observée. En conséquence, le processus de frittage peut être étudié en mesurant la dimension. Ceci se fait généralement dans un dilatomètre (voir exemple d’application).

Afin d’éviter l’oxydation et également de réduire la teneur en oxydes du produit final, le frittage peut être effectué dans une atmosphère contenant de l’hydrogène ou même dans une atmosphère d’hydrogène pur.

Grâce à ses connaissances dans la technologie de sécurité de l’hydrogène, LINSEIS est en mesure de fournir des dilatomètres pour une utilisation dans une atmosphère d’hydrogène pur. Le dilatomètre peut être utilisé pour les mesures de frittage ou d’expansion de l’hydrogène dans des atmosphères réductrices. Le dégazage est couplé à une unité de sécurité contre les brûlures et le système est relié à un détecteur d’hydrogène qui peut arrêter le système et le rincer avec un gaz inerte en cas de dégagement incontrôlé d’hydrogène.

Exemple d’application : Frittage à H2 de poudres métalliques

L’exemple montre le frittage à l’hydrogène de corps verts en poudre métallique qui sont utilisés comme catalyseurs.

La mesure montre la courbe de frittage d’une poudre métallique frittée pressée qui a été chauffée selon le profil de frittage (courbe inférieure) dans une atmosphère d’hydrogène absolu.

L’hydrogène réduit l’oxygène contenu dans l’échantillon pendant le processus de frittage et entraîne une densité plus élevée et un pourcentage d’oxyde métallique plus faible. Par conséquent, l’atmosphère gazeuse ainsi que le profil de frittage ont une influence significative sur les résultats.

La courbe bleue montre l’expansion et le rétrécissement relatifs, la courbe rouge montre les valeurs absolues. La principale étape de frittage peut être observée dans la deuxième phase de chauffage entre 500°C et 1400°C.

5. Technologie des piles à combustible

Néanmoins, les applications les plus intéressantes et les plus souvent mentionnées pour l’hydrogène sont les piles à combustible, qui peuvent être utilisées dans de nombreuses situations différentes, de l’alimentation des bâtiments en électricité et en chaleur à la propulsion des voitures avec une autonomie accrue. Elles sont la pièce maîtresse de la transformation de l’énergie stockée en retour de l’hydrogène en électricité.

Dans une pile à combustible, l’hydrogène réagit avec l’air pour former de l’eau. Cette réaction n’est pas utilisée directement par la combustion, qui produit de la chaleur, mais dans une pile à combustible, elle produit de l’énergie électrique : Le schéma montre une vue schématique d’une pile à combustible à hydrogène.

L’objectif est de produire de l’énergie électrique “à la demande” par la réaction de l’hydrogène et de l’oxygène. Contrairement à la réaction classique, directe, où l’eau se forme sous l’effet d’un énorme dégagement d’énergie sous forme de chaleur (imaginez un mélange gazeux d’hydrogène et d’oxygène que l’on enflamme), une pile à combustible comporte deux chambres, contenant les deux composés.

Au milieu de ces chambres, il y a une membrane qui permet la diffusion de l’hydrogène mais pas d’autres molécules. À la surface de la membrane, à l’emplacement de la chambre à oxygène, la réaction de l’hydrogène et de l’oxygène a lieu, ce qui produit de l’eau qui est évacuée de la pile. Cela entraîne une diminution de la concentration d’hydrogène au niveau de la membrane et fait que davantage de molécules d’hydrogène se déplacent vers la membrane. La diffusion de l’hydrogène vers la chambre contenant l’oxygène génère une tension électrique au niveau de la membrane. C’est l’énergie qui est maintenant libérée au lieu de la chaleur et qui peut être utilisée pour faire fonctionner un moteur.

Comme la concentration d’hydrogène dans la chambre à hydrogène peut être contrôlée, le taux de diffusion au niveau de la membrane peut être facilement contrôlé comme dans un moteur à essence. L’hydrogène peut donc être considéré comme un “carburant”. La membrane est recouverte d’un matériau d’électrode composé de métaux nobles. Ces métaux servent de catalyseur et agissent sur les conditions de fonctionnement de la pile à combustible (température, tension, etc.).

Comme les piles à combustible fonctionnant à l’hydrogène peuvent fonctionner à des températures élevées, jusqu’à 1000°C, et que la soudure utilisée pour leur assemblage doit être thermiquement, chimiquement et mécaniquement stable, là encore l’analyse thermique entre en jeu. Les conditions de fonctionnement des piles à combustible dépendent des matériaux utilisés qui peuvent agir comme des catalyseurs.

Ainsi, toutes les techniques utilisées pour la caractérisation des catalyseurs trouvent une application dans la technologie des piles à hydrogène/combustible. Par conséquent, de nombreuses connaissances en science des matériaux sont nécessaires et de nombreuses techniques d’analyse permettront d’étudier les matériaux. Dans le cas présent, nous nous concentrerons sur les techniques d’analyse thermique.

Certaines applications de stockage de l’hydrogène fonctionnent à haute pression, parfois supérieure à 100 bars, ce qui rend utile l’utilisation d’analyseurs pressurisés. En outre, toutes les techniques d’analyse nécessitent des précautions en raison de la forte réactivité de l’hydrogène à l’oxygène et à l’air. Par conséquent, tous les appareils doivent être équipés de dispositifs de sécurité pour éviter les risques d’explosion.

*Métaux nobles **Métaux nobles/métaux non nobles ***Métaux non nobles

Exemple d’application : Libération d’hydrogène à partir d’un stockage en surface

L’exemple d’application suivant montre comment les équipements d’analyse thermique et de science des matériaux sont utilisés dans le domaine des piles à combustible :

Le stockage de l’hydrogène peut se faire par adsorption de surface, adsorption dans les pores ou absorption chimique. Pour la plupart des métaux, la sorption de surface est la méthode la plus prometteuse car elle est facile à réaliser et la libération d’hydrogène peut être très bien contrôlée. C’est pourquoi de nombreux métaux à surface spécifique élevée sont étudiés.

L’hydrure de titane est une ressource d’hydrogène couramment utilisée pour la libération contrôlée d’hydrogène dans diverses réactions. D’une part, il peut être utilisé comme catalyseur dans la chimie liquide in situ comme source d’hydrogène, d’autre part, il peut être utilisé par exemple dans les batteries ou les piles à combustible pour la libération contrôlée d’hydrogène.

Pour avoir une idée de la quantité d’hydrogène libérée à quelle température, il est important de connaître le comportement de décomposition dépendant de la température et la quantité de chaleur libérée, qui peut être surveillée par analyse thermique simultanée (STA).

Dans cette mesure STA, la libération d’hydrogène par l’hydrure de titane a été surveillée. Les signaux TG et DSC ont été mesurés de la température ambiante à 800°C alors que l’échantillon était chauffé linéairement dans une atmosphère d’Argon avec 10 K/min. Entre 300°C et 600°C, il y a une perte de masse en deux étapes de 2,3% au total, ce qui signifie que la quantité complète d’hydrogène lié est libérée dans ce processus. La courbe DSC montre les pics de désorption correspondants (courbe rouge).

Équipement de sécurité pour les mesures d’hydrogène

L’hydrogène a une grande affinité avec les oxydants et les surfaces métalliques ainsi qu’avec l’oxygène. La formation d’eau à partir des éléments (2 – H2 + O 2 = 2 – H2O ; ΔH = 286 kJ/mol) est une réaction exothermique qui est la raison pour laquelle l’hydrogène est considéré comme un puissant moyen de stockage de l’énergie.

Les mélanges hydrogène-air sont sensibles à l’explosion pour des teneurs en hydrogène supérieures à environ 4%. L’énergie d’activation (sans catalyseur) est élevée mais en présence d’une flamme, d’une étincelle ou d’une température élevée, ces mélanges peuvent brûler ou exploser. Ainsi, lors d’une analyse thermique incluant des concentrations d’hydrogène supérieures à 4% dans l’air, certaines précautions de sécurité sont obligatoires.

Tous les analyseurs thermiques LINSEIS pour les applications hydrogène peuvent être équipés des dispositifs de sécurité suivants :

Détecteurs d’hydrogène
Les détecteurs d’hydrogène permettent de détecter d’éventuelles fuites dans les conduites de gaz. Ces détecteurs sont positionnés à proximité de l’instrument et détectent toute fuite ou dégagement accidentel d’hydrogène.

Soupapes de sécurité
Dès qu’une fuite d’hydrogène est détectée, les soupapes de sécurité agissent et coupent l’alimentation en hydrogène de l’analyseur thermique.

Purge par gaz inerte
Lorsqu’une fuite est détectée et que l’alimentation en hydrogène est arrêtée, l’hydrogène restant dans l’analyseur est purgé par un gaz inerte.

Unité de brûlage pour les dégazages
Au niveau du connecteur de dégazage, tous les systèmes Linseis Hydrogen sont équipés d’une unité de combustion. Les dégagements gazeux (gaz d’échantillonnage, gaz de purge et produits de décomposition) passent devant la flamme qui brûle en permanence pour garantir qu’aucun gaz inflammable n’est libéré dans l’environnement et pourrait atteindre une concentration critique dans le laboratoire. L’unité de flamme est chauffée électriquement et dispose d’un mécanisme de sécurité pour éviter tout retour de la flamme dans les conduites de gaz.