Pourquoi les capteurs de conductivité thermique sont de bons détecteurs de fuites d'hydrogène

Des camions lourds aux bus et automobiles, en passant par les avions et les bateaux, l'énergie produite à partir d'hydrogène gagne en popularité pour diverses raisons, notamment l'absence d'émissions, le ravitaillement rapide, la grande autonomie et le rendement élevé. Par rapport aux gaz à effet de serre émis par les moteurs à combustion interne (ICE) classiques utilisant des combustibles fossiles, les piles à combustible à hydrogène ne produisent que de la vapeur d'eau comme émissions de gaz d'échappement. Bien que le coût et les infrastructures demeurent des obstacles à l'adoption, les avancées technologiques contribuent à améliorer continuellement l'efficacité tandis que la volonté croissante de décarbonation continue de susciter l'intérêt et les investissements dans l'hydrogène en tant qu'alternative propre aux combustibles fossiles.

Avec l'adoption généralisée des véhicules fonctionnant à l'hydrogène, la détection des fuites d'hydrogène dans ces systèmes devient cruciale. Les fuites sont fréquentes dans les systèmes à hydrogène, principalement parce que les molécules d'hydrogène sont extrêmement petites et ont une grande capacité de diffusion, ce qui leur permet de s'échapper à travers les matériaux et les joints. De plus, l'hydrogène peut provoquer une fragilisation par l'hydrogène, un processus au cours duquel il s'infiltre et affaiblit au fil du temps des matériaux comme l'acier, multipliant ainsi les risques de fuites. L'hydrogène est également hautement inflammable et c'est un gaz incolore, inodore et insipide, susceptible de créer rapidement une situation dangereuse. Toute fuite, quand et où elle se produit, doit donc être détectée instantanément.

Bien qu'il existe de nombreuses méthodes pour détecter les fuites d'hydrogène, par exemple les capteurs électrochimiques et les capteurs à billes catalytiques, la méthode la plus efficace et la plus précise consiste à utiliser des détecteurs de conductivité thermique (TCD). Ces dispositifs fonctionnent en mesurant précisément les propriétés thermiques de l'hydrogène lorsqu'il traverse le capteur, et en les comparant à celles de l'air.

Caractéristiques clés des capteurs HLD

Les fonctionnalités clés des capteurs TCD pour la détection des fuites de gaz, en particulier les détecteurs de fuites d'hydrogène (HLD), incluent la stabilité en conditions variables comme les chocs et les vibrations, des temps de réponse rapides inférieurs à 2 secondes, une haute précision et une haute sensibilité. Le détecteur HLD-111-111-001 de Honeywell Sensing & Productivity Solutions (Figure 1) met en œuvre des algorithmes de compensation avancés pour détecter les faibles fuites d'hydrogène et fournir des solutions précises sans intervention manuelle pendant 10 ans.

Figure 1 : Le détecteur HLD-111-111-001 de Honeywell utilise la détection de conductivité thermique pour surveiller de manière fiable et précise les fuites d'hydrogène. (Source de l'image : Honeywell Sensing & Productivity Solutions)

De plus, les détecteurs HLD basés sur la technologie TCD sont moins sensibles à la contamination par des produits chimiques susceptibles d'interférer avec d'autres technologies de capteurs. Contrairement aux capteurs chimiques qui se dégradent avec le temps ou aux capteurs catalytiques qui sont sensibles à la contamination par des composés tels que le soufre, les détecteurs HLD n'utilisent pas de matériaux réactifs, ce qui leur confère une durée de vie beaucoup plus longue et une plus grande fiabilité.

Les capteurs TCD présentent également un temps de démarrage inférieur à une seconde et une plage de températures de fonctionnement de -40°C à +85°C.

Principaux avantages des capteurs TCD en tant que détecteurs de fuites d'hydrogène

L'utilisation de capteurs de conductivité thermique pour la surveillance des fuites d'hydrogène présente plusieurs avantages. Outre leur haute précision, ils offrent une longue durée de vie opérationnelle. Les détecteurs HLD sont conçus pour fonctionner pendant 10 ans sans intervention manuelle ni étalonnage, réduisant ainsi les coûts de maintenance et les temps d'arrêt. Contrairement aux autres capteurs de gaz, les détecteurs HLD basés sur la conductivité thermique n'ont pas besoin d'oxygène pour assurer une détection efficace et stable. Les détecteurs HLD peuvent fonctionner dans une atmosphère inerte ou pauvre en oxygène, là où d'autres types de capteurs, comme les billes catalytiques, seraient inefficaces.

Les détecteurs HLD présentent également des temps de réponse très rapides, ce qui est crucial pour la sécurité dans les applications telles que les systèmes à piles à combustible et automobiles. Grâce à leur sensibilité et à leur précision élevées, ces capteurs peuvent détecter de très petites fuites d'hydrogène avant qu'elles ne constituent un risque pour la sécurité. La détection rapide des fuites permet des mesures correctives rapides, évitant ainsi l'aggravation d'une situation dangereuse. En outre, ces dispositifs sont fiables et durables pour les conditions industrielles difficiles, et sont conformes aux normes de sécurité relatives à l'hydrogène et aux réglementations industrielles.

Enfin, grâce à leur construction plus simple, ils sont moins coûteux et peuvent être fabriqués à partir d'éléments de détection à semi-conducteurs reproductibles à haut volume, ce qui en fait une option économique pour un déploiement à grande échelle.

Applications HLD typiques

Les applications typiques des capteurs TCD incluent les véhicules électriques à pile à combustible (FCEV), les stations de ravitaillement en hydrogène, les générateurs d'hydrogène, les applications industrielles telles que le traitement chimique, l'affinage des métaux et la fabrication de semi-conducteurs, le stockage et la distribution d'hydrogène, ainsi que les applications maritimes.

Comme les autres véhicules électriques, les FCEV utilisent l'électricité pour alimenter les moteurs électriques, qu'ils produisent grâce à une pile à combustible fonctionnant à l'hydrogène. Par conséquent, les fuites d'hydrogène dans le système d'alimentation peuvent constituer un danger pour la sécurité et réduire l'efficacité du véhicule. En surveillant en permanence les réservoirs d'hydrogène, les conduits et les piles à combustible du FCEV, les détecteurs HLD détectent les fuites afin d'éviter les situations dangereuses et de maintenir l'efficacité du carburant hydrogène (Figure 2).

Figure 2 : Les détecteurs HLD basés sur la technologie TCD et déployés dans les véhicules électriques à pile à combustible évitent les situations dangereuses telles que les fuites et maintiennent l'efficacité du carburant hydrogène. (Source de l'image : Honeywell Sensing & Productivity Solutions)

De même, les véhicules électriques à hydrogène dépendent de réservoirs de stockage à haute pression et de stations de ravitaillement, où les fuites peuvent présenter des risques importants pour la sécurité. Les dispositifs TCD permettent aux constructeurs de véhicules électriques de réduire le risque d'inflammation en surveillant en permanence les fuites dans l'infrastructure de ravitaillement. Parallèlement, le déploiement de ces capteurs au niveau des distributeurs et des systèmes de stockage d'hydrogène améliore l'efficacité opérationnelle et la sécurité, minimisant ainsi les temps d'arrêt et renforçant la confiance des consommateurs dans les infrastructures de ravitaillement en hydrogène.

Les générateurs d'hydrogène sont essentiels à la production d'hydrogène sur site dans les applications industrielles, médicales et énergétiques. Pour la sécurité des utilisateurs à proximité de ces générateurs, des détecteurs HLD sont placés à des endroits stratégiques pour détecter les fuites minimales et prévenir les risques tels que les accumulations de gaz, les incendies ou les explosions (Figure 3).

Figure 3 : Les générateurs d'hydrogène sont équipés de détecteurs HLD pour la sécurité des utilisateurs. (Source de l'image : Honeywell Sensing & Productivity Solutions)

D'autres secteurs industriels, tels que le traitement chimique, l'affinage des métaux, la fabrication de semi-conducteurs et la logistique d'entrepôt, tirent également parti des avantages de l'énergie hydrogène. Par exemple, les chariots élévateurs à pile à combustible à hydrogène sont de plus en plus utilisés dans les entrepôts en raison de leur capacité de ravitaillement rapide et de l'absence d'émissions. La sécurité du lieu de travail est assurée par l'installation de détecteurs HLD à des emplacements stratégiques et par une surveillance en temps réel des fuites autour des chariots élévateurs et des stations de ravitaillement (Figure 4). En utilisant des détecteurs HLD, les exploitants d'entrepôts garantissent le fonctionnement sûr des chariots élévateurs à hydrogène tout en maintenant le rendement opérationnel et en évitant les temps d'arrêt coûteux.

Figure 4 : Les détecteurs HLD garantissent le fonctionnement sûr des chariots élévateurs à hydrogène. (Source de l'image : Honeywell Sensing & Productivity Solutions)

Fournir une solution sensible, stable et fiable

La série de détecteurs HLD de Honeywell Sensing & Productivity Solutions utilise des techniques de détection de conductivité thermique pour offrir une sensibilité, une stabilité et une fiabilité élevées pour de nombreuses applications dans de multiples secteurs, notamment l'automobile, les transports, la sécurité industrielle et l'alimentation électrique résidentielle. Ces détecteurs intègrent un algorithme propriétaire permettant de compenser des facteurs tels que la température, la pression et l'humidité, garantissant ainsi des mesures précises dans un large éventail de conditions de fonctionnement. De ce fait, ils peuvent détecter des fuites de seulement 50 parties par million (ppm) avec une précision de ±10 %, et ce, en deux secondes. Grâce à leurs propriétés uniques, les détecteurs HLD empêchent également les lectures erronées dues à la présence d'autres gaz environnementaux, tels que le monoxyde de carbone ou les hydrocarbures.

Les détecteurs HLD peuvent être adaptés afin de répondre aux besoins d'une application, par exemple présenter un faible poids ou disposer d'une sortie auxiliaire. Les solutions peuvent être personnalisées selon des spécifications exactes afin d'améliorer les délais de mise sur le marché, de réduire le coût global des systèmes et d'augmenter la fiabilité. Les détecteurs HLD sont également disponibles en boîtier en polycarbonate renforcé pour la protection et la facilité d'utilisation, avec une résistance au feu UL94V0 et un indice de protection IP67, et en version sans boîtier (circuit imprimé uniquement) pour une intégration personnalisée.

Conclusion

L'hydrogène gagne en popularité dans de nombreux secteurs industriels en tant qu'alternative énergétique propre et prometteuse pour atteindre les objectifs de développement durable, en raison de son potentiel à réduire les émissions de gaz à effet de serre et la dépendance aux combustibles fossiles. Honeywell Sensing & Productivity Solutions accompagne cette transition avec sa série de détecteurs HLD hautement précis et fiables, contribuant à atténuer les problèmes de sécurité et à renforcer la confiance des clients dans les piles à combustible à hydrogène.